JP2006110522A

JP2006110522A - 水処理装置および水処理方法

Info

Publication number: JP2006110522A
Application number: JP2004303195A
Authority: JP
Inventors: Seiji Furukawa; 誠司古川; Nozomi Yasunaga; 望安永; Izumi Oya; 泉大家; Tokiko Yamauchi; 登起子山内
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-10-18
Filing date: 2004-10-18
Publication date: 2006-04-27

Abstract

【課題】被処理水中の難分解性化学物質の除去効率を高めるためには、被処理水に対するオゾン注入率を増加させる必要があったが、オゾン注入率を増加させると、臭素酸イオンの生成が促進されてしまうという問題がある。
【解決手段】被処理水を第１段の「過酸化水素添加オゾン処理槽」において、オゾンと過酸化水素との反応からヒドロキシルラジカルを生成させ、これによって、被処理水中の難分解性化学物質を分解する。第２段の「紫外線処理槽」において、紫外線ランプ照射された紫外線が被処理水中に残存している過酸化水素に作用し、ヒドロキシルラジカルを生成し、過酸化水素濃度が低減するとともに難分解性化学物質の分解除去を促進する。
【選択図】図４

Description

本発明は、オゾンのもつ酸化作用を利用して水中の汚濁成分（微量有機物等）を酸化分解する、水処理装置に関するものである。

近年、水源である河川や湖沼の汚染が進んでいることから、水道水の品質や安全性の確保に対してさまざまな取り組みがなされている。オゾン水処理装置の導入もその一つであり、全国の浄水場に普及しつつある。
従来、オゾンによる水処理は、被処理水にオゾンガスを接触させて、被処理水中に溶解したオゾンが被処理水中の汚濁成分を酸化分解して、行われる。また、処理後の水は処理装置外へ排出され、余剰のオゾンガスもまた装置外へ排出される（例えば非特許文献１参照）。
オゾンは、塩素などの他の酸化剤に比べて強い酸化力を持つため、異臭味や色度、消毒副生成物前駆物質（主に塩素と結合して人体に有害な化学物質に変化する有機物）などの難分解性化学物質の分解除去に有効である。一方、被処理水中に臭化物イオンが存在すると、オゾンとの反応により臭素酸イオンが生成する。この臭素酸イオンについては発ガン性の疑いのあることが指摘されており、２００４年４月１日から施行される新しい水質基準では、飲料水中の濃度として１０μｇ／Lという規制値が設けられている。
また、オゾン水処理において、被処理水中の微量有機物質を除去するために、芳香族化合物を添加し、酸化力の高いヒドロキシラジカル（OH・）の生成を促進し、微量有機物の分解を効率よく行うことが知られている（例えば、特許文献１参照）。

「浄水技術ガイドライン（財団法人水道技術センター、２０００年）」104頁図2.4-64 特開平６−２３３７７号公報（図１，２、［0008］、［0009］）

従来のオゾン水処理装置では、難分解性化学物質の除去率を高めるためには被処理水に対するオゾン注入率を増やす必要があるが、オゾン注入率を増やすと臭素酸イオンの生成が促進されてしまうという問題点があった。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、オゾン水処理において処理された水の溶存オゾン濃度を抑制する水処理装置および水処理方法を提供することを目的とする。

この発明に係る水処理装置は、過酸化水素の添加された被処理水にオゾンを導入するオゾン処理槽と、該オゾン処理槽に接続され、上記オゾン処理槽で処理された被処理水を導入し、該被処理水に紫外線を照射する手段を有する紫外線処理槽とを備えたことを特徴とするものである。

また、この発明に係る水処理方法は、被処理水中の臭素酸イオンの生成を抑制しながら、ヒドロキシラジカルを生成して上記被処理水に作用させる工程と、上記被処理水中の過酸化水素成分をヒドロキシラジカルに変化させて上記被処理水中の過酸化水素成分を減少させる工程とを備えたものである。

この発明に係る水処理装置及び水処理方法は、被処理水に過酸化水素を添加するとともにオゾンを注入するオゾン処理槽の後段に、被処理水に紫外線を照射する紫外線処理槽を設けたので、溶存オゾン濃度の上昇を抑えつつヒドロキシルラジカルを生成することができ、臭素酸イオン濃度の生成を抑制しながら難分解性化学物質の分解除去を促進するという効果を奏する。また、処理水への過酸化水素の漏洩を抑止する、という効果も奏する。

予備検討１．
特開２０００−２８８５６１号公報に記載されている実験結果について詳細検討を行った。本実験はバッチ式反応槽における一般的な河川水のオゾン処理の実験結果の例であり、図１中(a)はオゾン処理時間に対するＴＨＭＦＰ（Trihalomethane Formation Potential＝トリハロメタン生成能、消毒副生成物前駆物質の指標）濃度の変化を、図１中(b)はオゾン処理時間に対する臭素酸イオン生成量の変化を、そして図１中(c)はオゾン処理時間に対する溶存オゾン濃度の変化を示している。
この図１より、ＴＨＭＦＰはオゾン処理時間５分あたりまではなだらかに低下するものの、その後はほとんど変化していないことがわかる。一方、溶存オゾン濃度と臭素酸イオン生成量は、オゾン処理時間が５分を経過してから上昇し始めた。

これらの実験結果より、発明者らは次のような考察を導いた：
（１）ＴＨＭＦＰなどの難分解性化学物質は、オゾン単独の酸化力だけでは必ずしも十分に分解除去することはできない。オゾン易反応成分（オゾンと比較的容易に反応する成分）とオゾンとが反応しているときに何らかのラジカル種が発生し、これが上記難分解性化学物質の分解を促進しているものと考えられる（水道原水中に普遍的に存在する有機物質とオゾンとの反応によりヒドロキシラジカルが生成することは、例えば特開平０６−２３３７７号公報で言及されている事項である）。
（２）臭素酸イオン生成は、オゾン易反応成分が消失すると顕著になる。

予備検討２．
発明者らは、０．５Lの被処理水を入れた反応器内に過酸化水素を所定量添加した上でオゾンガスを連続的に供給し、反応器内の溶存オゾン濃度および臭素酸イオン濃度などの処理水質の経時変化を調べた。被処理水としては、純水に臭化ナトリウムを加えたもの（臭化物イオン濃度として５０μｇ／L）を用いた。過酸化水素の添加量は０〜３ｍｇ／Lの範囲で変化させた。

図２に臭素酸イオン（BrO₃ ⁻）濃度の経時変化を、また図３に溶存オゾン濃度の経時変化を示す。図２において過酸化水素添加量が１ｍｇ／L（○印）のとき、臭素酸イオンの著しい生成が認められたが、さらに添加量を増加させると、臭素酸イオン生成量は減少した。一方、溶存オゾン濃度については、図３に示すように、過酸化水素の添加量が多いほどより低く抑えられる結果となった。
特に注目すべきことは、過酸化水素を添加した場合の、臭素酸生成が始まるタイミングである。いずれの添加量の場合も、溶存オゾン濃度の上昇とともに臭素酸イオンの生成が始まっていることがわかる。特に臭素酸イオン生成が顕著であった過酸化水素添加量１ｍｇ／Lの場合は、それよりも添加量が多かった場合に比べて明らかに溶存オゾン濃度が早く上昇し始めている。

これらの実験結果より、発明者らは次のような考察を導いた。
（１）オゾンと過酸化水素との反応によりヒドロキシルラジカルが生成するが、このヒドロキシルラジカルとオゾンとが共存するような条件下で、臭素酸イオンの生成が顕著となる。
（２）従って、溶存オゾンが検出されないように過酸化水素を添加しながらオゾン処理することにより、臭素酸イオンの生成を抑制しつつ酸化力の強いヒドロキシルラジカルを生成することができる。ヒドロキシルラジカルは難分解性化学物質の分解除去に寄与する。

すなわち、過酸化水素添加オゾン処理は、臭素酸イオンの生成を抑制しながら難分解性化学物質を除去するのに有効であると言える。ただし、予備検討２の考察（２）で述べた方法によると、溶存オゾンが検出されないように、逆に過酸化水素が残留するようにこれを添加することになる。過酸化水素はオゾンのように自己分解性が高くないため、過酸化水素が残留した処理水をそのまま水道水として供給することはできない。すなわち、過酸化水素添加オゾン処理のみでは浄水処理に適用できない、という問題点のあることがわかり本願発明に至った。
以下、詳細を実施の形態で説明する。

実施の形態１．
図４は本発明の実施の形態１に係る水処理装置の構成を示した図である。
１は被処理水に過酸化水素を添加するとともにオゾンを注入するための第1の反応槽である。２は被処理水を第1の反応槽１に導入するための配管、３は過酸化水素を添加するための配管であり、それぞれ第１の反応槽１と接続されている。４はオゾンガスを導入するための配管であり、第１の反応槽１に備え付けられた散気手段５と接続されている。
６は被処理水に紫外線を照射するための第２の反応槽であり、配管７を介して第１の反応槽１と接続されている。８は第２の反応槽６に備え付けられた紫外線ランプである。
１０、１１は余剰のオゾンガスを系外に排出するための配管であり、それぞれ第１の反応槽１、第２の反応槽６と接続されている。

次に、動作について説明する。被処理水は配管２を介して第１の反応槽１に導入される。一方、過酸化水素が配管３を介して添加されるとともに、オゾンガスが配管４および散気手段５を介して第１の反応槽１に注入される。このとき、過酸化水素の添加量は、第１の反応槽１内の溶存オゾン濃度が検出されないように設定もしくは調節することが望ましい。第１の反応槽１内では、オゾンと過酸化水素との反応からヒドロキシルラジカルが生じ、被処理水中の難分解性化学物質を分解する。
第１の反応槽１で過酸化水素添加オゾン処理(O₃/ H₂O₂処理)を施された水は、配管７を介して第２の反応槽６に導入される。紫外線ランプ８から照射された紫外線は水中に残存している過酸化水素と反応し、再びヒドロキシルラジカルが生じる。このヒドロキシルラジカルが、残存している難分解性化学物質の分解除去を促進する。このとき、紫外線の強度は、第２の反応槽６内の過酸化水素濃度が検出されないように設定もしくは調節することが望ましい（UV処理）。
余剰のオゾンガスは配管１０および配管１１を介して系外に排出される。

図５に、本実施の形態の水処理装置における、処理効果を示す。図中(a)は、被処理水である原水、第１の反応槽１における第１段目の処理、第２の反応槽６における第２段目の処理それぞれにおけるTOC（Total Organic Carbon:全有機炭素）濃度、図中(b)は過酸化水素（H₂O₂）の濃度、図中(c)は臭素酸イオン（BrO₃ ⁻）濃度を示す。なお、TOC濃度は難分解性有機物質の濃度を示している。
上述のとおり、図中(a)より、本実施の形態の水処理装置によりTOCが低減、すなわち難分解性有機物質の分解が進んでいることがわかる。これは１段目の過酸化水素添加オゾン処理において、ヒドロキシルラジカルの発生により、難分解性有機物の分解が促進され、2段目で紫外線照射により過酸化水素の除去が進むものの、紫外線照射によってもヒドロキシルラジカルが生成され、さらに難分解性有機物の分解が進むことを意味する。図中(b)において、第１の反応槽１で添加した過酸化水素が確認されるものの、2段目の第２の反応槽６では紫外線照射により過酸化水素がヒドロキシルラジカルに変化して除去され、過酸化水素の溶存はなくなる。また、図中(c)において1段目の第１の反応槽１でオゾンにより発生する臭素酸イオンも同時に添加された過酸化水素によりその発生量が抑制され、2段目の紫外線照射によっても臭素酸イオンの除去が若干進む。

以上により、溶存オゾン濃度の上昇を抑えつつヒドロキシルラジカルを生成することができるので、臭素酸イオン濃度の生成を抑制しながら難分解性化学物質の分解除去を促進するという効果を奏する。また、処理水への過酸化水素の漏洩を抑止する、という効果も奏する。

実施の形態２．
図６は本発明の実施の形態２に係る水処理装置の構成を示した図であり、３１は第２の反応槽６に過酸化水素を添加するための配管である。その他は、図４と同様である。
次に、動作について説明する。配管３１を介して第２の反応槽６に添加された過酸化水素は、第２の反応槽６内に残存している過酸化水素と同様、紫外線ランプ８から照射された紫外線と反応し、ヒドロキシルラジカルを生じる。このヒドロキシルラジカルが、残存している難分解性化学物質の分解除去を促進する。その他は実施の形態１と同様である。
以上により、実施の形態１の効果に加えて、第２の反応槽６でのヒドロキシルラジカルの生成量を高め、難分解性化学物質の分解除去をより促進するという効果を奏する。

実施の形態３．
図７は本発明の実施の形態３に係る水処理装置の構成を示した図であり、８１は第１の反応槽１に備え付けられた紫外線ランプである。その他は、図４と同様である。
次に、動作について説明する。紫外線ランプ８から照射された紫外線は、第１の反応槽１内の溶存オゾンもしくは過酸化水素と反応することにより、ヒドロキシルラジカルを生成する。ヒドロキシルラジカルは、被処理中の難分解性化学物質を分解する。その他は実施の形態１と同様である。紫外線ランプによりヒドロキシルラジカルの発生を促進するので、第１の反応槽１に添加する過酸化水素の添加を抑制することができ、最終被処理水中の過酸化水素の溶存をなくすことができる。
以上により、実施の形態１の効果に加えて、ヒドロキシルラジカルの生成量を高め、難分解性化学物質の分解除去をより促進するという効果を奏する。

また、第１の反応槽１においては難分解性化学物質の分解促進のためにヒドロキシルラジカルの生成が重要であるので、もともとの被処理水中のＴＯＣ濃度が低い場合は、図８のように第１の反応槽１の過酸化水素添加用の配管をなくした装置構成にしてもよい。このとき、紫外線の強度は、第１の反応槽１内の溶存オゾン濃度が検出されないように設定もしくは調節することが望ましい。

また、図７の別の変形例として図９のような装置構成とすることもできる。後段の第２の反応槽６に過酸化水素を添加することにより、図８の例よりもヒドロキシルラジカルの生成量を高め、図７の装置構成の場合と同等の効果を奏する。

実施の形態４．
図１０は本発明の実施の形態４に係る水処理装置の構成を示した図であり、３１は第２の反応槽６に過酸化水素を添加するための配管である。その他は、図７と同様である。
次に、動作について説明する。配管３１を介して第２の反応槽６に添加された過酸化水素は、第２の反応槽６内に残存している過酸化水素と同様、紫外線ランプ８から照射された紫外線と反応し、ヒドロキシルラジカルを生じる。このヒドロキシルラジカルが、残存している難分解性化学物質の分解除去を促進する。その他は実施の形態３と同様である。
これは、被処理水中のＴＯＣ濃度が高く、第２の反応槽６においても多量のヒドロキシルラジカルの生成が必要な場合に有効である。
以上により、実施の形態３の効果に加えて、ヒドロキシルラジカルの生成量をさらに高め、難分解性化学物質の分解除去をより促進するという効果を奏する。

以上の実施の形態１〜４においては、過酸化水素を反応槽に添加するように装置を構成しているが、反応槽に被処理水を導入するための配管に添加もしくは注入するように装置を構成してもよい。
また、オゾンガスの注入も散気手段に限るものではなく、インジェクタを用いて配管内に吸引するようにしてもよいし、予め作成しておいたオゾン溶解水を注入するように装置を構成してもよい。
また、以上の実施の形態においては、反応槽を２つ設けこれらを配管で接続しているが、１つの反応槽内に仕切りを設けて２つの区画に分離するようにしてもよい。
また、紫外線ランプを反応槽内に配置した例を示したが、反応槽の一部を紫外線等価ガラスにして反応槽外部から照射してもよい。

オゾン処理における被処理水中含まれる各成分の経時変化を示した図で、(a)はオゾン処理時間に対するＴＨＭＦＰ（Trihalomethane Formation Potential＝トリハロメタン生成能、消毒副生成物前駆物質の指標）濃度の変化を、(b)はオゾン処理時間に対する臭素酸イオン生成量の変化を、(c)はオゾン処理時間に対する溶存オゾン濃度の変化を示した図である。被処理水中の臭素酸イオン濃度の経時変化を示した図である。被処理水中の溶存オゾン濃度の経時変化を示した図である。本発明の実施の形態１に係る水処理装置の構成を示した図である。本発明の実施の形態１に係る水処理の効果を説明するための図で、 (a)は処理段階ごとのTOC（Total Organic Carbon:全有機炭素）濃度、(b)は過酸化水素水（H₂O₂）の濃度、(c)は臭素酸イオン濃度を示した図である。本発明の実施の形態２に係る水処理装置の構成を示した図である。本発明の実施の形態３に係る水処理装置の構成を示した図である。本発明の実施の形態３に係る水処理装置の別の構成を示した図である。本発明の実施の形態３に係る水処理装置のさらに別の構成を示した図である。本発明の実施の形態４に係る水処理装置の構成を示した図である。

符号の説明

１第１の反応槽、２、３、４、７、９、１０、１１、３１配管、
５散気手段、６第２の反応槽、８、８１紫外線ランプ。

Claims

過酸化水素の添加された被処理水にオゾンを導入するオゾン処理槽と、該オゾン処理槽に接続され、上記オゾン処理槽で処理された被処理水を導入し、該被処理水に紫外線を照射する手段を有する紫外線処理槽とを備えたことを特徴とする水処理装置。
紫外線処理槽に、過酸化水素導入手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の水処理装置。
オゾン処理槽に、紫外線照射手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の水処理装置。
被処理水中の臭素酸イオンの生成を抑制しながら、ヒドロキシラジカルを生成して上記被処理水に作用させる工程と、上記被処理水中の過酸化水素成分をヒドロキシラジカルに変化させて上記被処理水中の過酸化水素成分を減少させる工程とを備えた水処理方法。